隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的逐步加劇,新能源在電網(wǎng)中的接入比例正在逐年升高。相比于傳統(tǒng)化石能源,新能源具有可再生能力強(qiáng),排放污染小等優(yōu)勢(shì),對(duì)解決環(huán)境污染,緩解能源緊缺具有重要意義�，F(xiàn)階段較為廣泛應(yīng)用的新能源種類(lèi)主要包括風(fēng)能和太陽(yáng)能,其受自然條件影響較為嚴(yán)重,具有明顯的發(fā)電間歇性與不確定性等特點(diǎn),大規(guī)模接入下會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、電能質(zhì)量和容量備用等方面提出挑戰(zhàn)。為了妥善解決這一問(wèn)題,通常需要將其與儲(chǔ)能裝置相結(jié)合,利用儲(chǔ)能裝置的功率解耦能力實(shí)現(xiàn)新能源輸入與電網(wǎng)接收功率的有效解耦。按照儲(chǔ)能原理的不同,儲(chǔ)能技術(shù)主要可分為物理儲(chǔ)能,電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能三種。目前應(yīng)用較為廣泛的儲(chǔ)能類(lèi)型為電化學(xué)儲(chǔ)能,即電池儲(chǔ)能,其在能量密度、供電時(shí)間和穩(wěn)定性等層面具有優(yōu)勢(shì)。為了更好的提升電池組的能量利用效率,通常需要配備相應(yīng)的電池能量管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)。BMS能夠?qū)﹄姵氐倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管,保證電池安全、穩(wěn)定運(yùn)行,更重要的是其具備荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)均衡管理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)能源利用率的優(yōu)化。單體電池的電壓和能量等級(jí)相對(duì)較低,為了滿足并網(wǎng)需求,通常需要將多節(jié)單體電池進(jìn)行串、并聯(lián)連接,而后經(jīng)過(guò)DC/DC升壓電路、DC/AC逆變電路和升壓變壓器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)接入。該并網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于調(diào)控,但大量單體電池的串并聯(lián)連接方式要求BMS系統(tǒng)具有很強(qiáng)的電池量測(cè)管理能力。此外開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力也相對(duì)較高,電能變換效率低。由于輸出電平數(shù)目較低(兩電平或三電平),在交流并網(wǎng)側(cè)需引入大容量濾波裝置實(shí)現(xiàn)濾波功能,增加了系統(tǒng)的成本和體積。模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模塊化結(jié)構(gòu)、易于拓展等優(yōu)勢(shì)而逐漸受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的認(rèn)可。相比于兩電平變換器,MMC具有輸出諧波特性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、冗余性好等優(yōu)勢(shì)。若將儲(chǔ)能電池分散接入于MMC結(jié)構(gòu)的子模塊中,則能在保有MMC變換器自身優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電池組輸出功率的靈活調(diào)控,優(yōu)化電池組管理能力。目前國(guó)內(nèi)外已逐步開(kāi)展關(guān)于儲(chǔ)能型 MMC 結(jié)構(gòu)(MMC based Battery Energy Storage System,MMC-BESS)的相關(guān)研究。除儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域外,儲(chǔ)能電池在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域也存在廣泛應(yīng)用。電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部的電力電子電路主要分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,充電電路和BMS系統(tǒng)三大部分。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下三者相互獨(dú)立,擠占了車(chē)內(nèi)本就狹小的安裝空間,使得儲(chǔ)能電池安裝容量縮減,進(jìn)而引發(fā)行駛里程數(shù)下降,難以滿足用戶需求。此外,受限于控制復(fù)雜度與芯片成本等客觀條件,大量單體電池串、并聯(lián)接入方式下BMS系統(tǒng)的SOC均衡能力也受到一定限制。若能將MMC-BESS系統(tǒng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中,并通過(guò)內(nèi)鎖開(kāi)關(guān)、充放電接口與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、外界充電裝置相連接,則能實(shí)現(xiàn)三者的空間結(jié)構(gòu)復(fù)用,形成充放電一體化系統(tǒng),一定程度上提高空間利用率。同時(shí),利用MMC-BESS結(jié)構(gòu)子模塊電池組能量靈活調(diào)控的特點(diǎn),可以進(jìn)一步提升BMS系統(tǒng)的SOC均衡能力,提高能量利用效率。電動(dòng)汽車(chē)的迅猛增長(zhǎng),也引發(fā)了退役電池處理的相關(guān)問(wèn)題。為了降低動(dòng)力電池成本,開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展電池市場(chǎng),其中一個(gè)重要的突破方向是通過(guò)論證與評(píng)估退役電池的潛在二次利用價(jià)值,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的梯次利用。動(dòng)力電池壽命終結(jié)后仍具備70%～80%的容量,能夠滿足風(fēng)光儲(chǔ)能、電網(wǎng)削峰填谷等功能。由于電池組老化程度與各自生產(chǎn)工藝、工作狀態(tài)等密切相關(guān),退役后電池組的健康程度(State of Health,SOH)也會(huì)有所差異。目前的控制策略中多以SOC均衡作為最優(yōu)控制目標(biāo)。當(dāng)電池組間SOH狀態(tài)差異明顯時(shí),傳統(tǒng)SOC均衡控制策略會(huì)導(dǎo)致健康程度較差的電池組率先達(dá)到淘汰水平,進(jìn)而縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。因此亟需提出一種考慮SOH差異的新型控制方法,有效延長(zhǎng)退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命。為了解決上述問(wèn)題,本文利用理論分析、仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的手段,重點(diǎn)對(duì)MMC-BESS系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理及控制方法進(jìn)行深入探討。針對(duì)電網(wǎng)平衡、不平衡運(yùn)行工況進(jìn)行分析,提出一種通用的SOC均衡控制方式;針對(duì)現(xiàn)有MMC-BESS系統(tǒng)控制中PI控制器數(shù)目過(guò)多的問(wèn)題,提出一種減小開(kāi)關(guān)狀態(tài)計(jì)算量的混合型模型預(yù)測(cè)控制方法(Hybrid Model Predictive Control,H-MPC);提出一種適用于電動(dòng)汽車(chē)的集成式充放電一體化MMC-BESS結(jié)構(gòu),并對(duì)不同工作模式下的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行相關(guān)分析;充分考慮退役電池SOH差異對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命造成的影響,提出一種SOH均衡控制方法,有效延長(zhǎng)退役電池的使用壽命。具體研究成果如下:(1)MMC-BESS系統(tǒng)通用SOC均衡控制方法。對(duì)MMC-BESS系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)學(xué)分析,通過(guò)建立橋臂功率與環(huán)流間的數(shù)學(xué)聯(lián)系,確定特定環(huán)流成分對(duì)電池組SOC均衡產(chǎn)生的影響,進(jìn)而選取環(huán)流控制參考目標(biāo)。該控制策略可分為相間SOC均衡,橋臂間SOC均衡及單體SOC均衡三個(gè)層次。針對(duì)不同控制層次設(shè)定各自控制目標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)整體SOC均衡一致。分別對(duì)電網(wǎng)平衡、不平衡運(yùn)行情況進(jìn)行討論,提出一種通用SOC均衡控制策略,具有良好的工程適用性。(2)MMC-BESS系統(tǒng)H-MPC控制方法。該部分首先對(duì)MMC系統(tǒng)中目前應(yīng)用較多的幾種模型預(yù)測(cè)控制方法(Model Predictive Control,MPC)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹,在此基礎(chǔ)上指出削減開(kāi)關(guān)狀態(tài)計(jì)算量已成為推動(dòng)MPC技術(shù)在多電平領(lǐng)域應(yīng)用的重要方向之一。針對(duì)現(xiàn)有MMC-BESS控制策略中PI控制器過(guò)多引發(fā)的參數(shù)整定問(wèn)題,提出一種H-MPC控制方法。該方法包含PI控制和MPC控制兩部分。通過(guò)靈活設(shè)定各自控制目標(biāo),H-MPC可在實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)良好追蹤特性前提下有效削減處理器運(yùn)算量,為MPC技術(shù)在多電平、大功率儲(chǔ)能領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供支撐。(3)集成式電動(dòng)汽車(chē)電能變換系統(tǒng)。提出一種集電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、充電電路和BMS系統(tǒng)于一體的集成式MMC-BESS結(jié)構(gòu),并對(duì)不同工作模式下(電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流充電和單相交流充電)的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,提出相應(yīng)SOC均衡控制策略。在此基礎(chǔ)上以系統(tǒng)效率最大化為目標(biāo),提出優(yōu)化分組充電策略,有效提升MMC-BESS系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。以SOH作為評(píng)價(jià)參數(shù),采用概率論方法對(duì)集成系統(tǒng)的最小SOH數(shù)值進(jìn)行數(shù)學(xué)估計(jì),在理論上證明了 MMC-BESS系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)兩電平集中接入方式在能量利用效率上具有優(yōu)勢(shì)。(4)退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)SOH均衡控制方法。以電動(dòng)汽車(chē)中退役的動(dòng)力電池作為研究對(duì)象,分析其作為儲(chǔ)能系統(tǒng)能源供給時(shí)存在的相關(guān)問(wèn)題。充分考慮SOH差異對(duì)系統(tǒng)壽命的影響,量化分析電池組SOH、放電深度(Depth of Discharge,DOD)與循環(huán)周期壽命間的數(shù)學(xué)關(guān)系。針對(duì)SOH難以實(shí)現(xiàn)在線精確量測(cè)的問(wèn)題,提出一種基于SOC量測(cè)的相對(duì)SOH估算方法。在此基礎(chǔ)上提出一種SOH均衡控制方法,有效實(shí)現(xiàn)電池組SOH衰減曲線均衡一致,延長(zhǎng)了退役電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM912
【部分圖文】：

避免浪費(fèi)［１８］。主動(dòng)均衡的具體實(shí)現(xiàn)方式主要包括如下幾種：??１．電容轉(zhuǎn)移型??電容轉(zhuǎn)移型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖１－２所示。其利用電容作為能量均衡器，依靠外接??繼電器和開(kāi)關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移。該均衡方式邏輯簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但??其只能依靠單體電池間的電壓差實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，整體均衡效率較為低下［｜９］。??２??

控制目標(biāo)［２４￣２５］。由于單體電池的電壓等級(jí)較低，通常需要將大量單體電池進(jìn)行串??并聯(lián)連接后經(jīng)由ＤＣ／ＤＣ升壓電路、ＤＣ／ＡＣ逆變電路和變壓器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能，具??體結(jié)構(gòu)如圖１－５所示［２６］。該接入方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)控，但單體電池?cái)?shù)目較多，??ＢＭＳ系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)較重。同時(shí)輸出電平數(shù)目較低，需要配置大容量濾波裝置，??變壓器的引入也會(huì)進(jìn)一步增大系統(tǒng)成本。??電池組??，ＢＭＳ?芯片?ｒ?—?１??／?繅一！??電池組?４?Ｉ－??Ｂ�。。嫫�?４?變壓器?＾??電池組?’Ｇ?＼?Ｌ?／??ｂｍｓ芯片?ｒ?：－?１???：，：：?１?￣?，ｒ－ｒ?ＭｍＭ?夷??ｉ?Ｉ?／Ｉ?Ａ?￣￣Ｉ??＼?ｂ＝」??Ｌ＞?＿＞？潘丨??圖１－５傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖??隨著電壓和功率等級(jí)的逐步抬升，傳統(tǒng)兩電平變換器在應(yīng)用過(guò)程中愈發(fā)呈現(xiàn)??不足，具體表現(xiàn)主要包含以下幾點(diǎn)：（１）電路開(kāi)關(guān)器件的耐壓、耐流能力有限，??應(yīng)用于高壓、大功率場(chǎng)合時(shí)，需要多個(gè)開(kāi)關(guān)串、并聯(lián)連接，容易引發(fā)均壓、均流??問(wèn)題

ＭＭＣ結(jié)構(gòu)逐步受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注［３５－３７］，我國(guó)也開(kāi)展了對(duì)ＭＭＣ－ＨＶＤＣ??系統(tǒng)的研宄，并于２０１４年投運(yùn)世界首個(gè)多端直流輸電工程［３８］。??ＭＭＣ結(jié)構(gòu)如圖１－９所示，每相橋臂均由上、下兩組橋臂構(gòu)成。通過(guò)調(diào)整橋??臂中子模塊接入個(gè)數(shù)，即可對(duì)交流輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制功能。??以典型半橋子模塊電路為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Ｓ１導(dǎo)通，Ｓ２關(guān)斷時(shí)，子模塊處于接入狀??態(tài)，輸出電壓為電容電壓當(dāng)開(kāi)關(guān)管Ｓ１關(guān)斷，Ｓ２導(dǎo)通時(shí)，子模塊處于旁路??狀態(tài)，輸出電壓為０；當(dāng)ＳＩ、Ｓ２均關(guān)斷時(shí)，子模塊處于檢修狀態(tài)，輸出電壓為??０。與級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)相比，ＭＭＣ結(jié)構(gòu)無(wú)需在子模塊中提供電源能量支撐，具有共用???Ｌ?－ｐ—??ｏｔＡ?ＳＭＩ?ＳＭＩ?ＳＭＩ??ＳＩＹ?ｚ［￣?ｚｒｒ?￣ｊ￣??＝ｉ＝?ｙＳｕ???Ｉ?ＳＭ２?Ｉ?ＳＭ２?Ｉ?ＳＭ２??＂?Ｌ?Ｉ??Ｓ２＜Ｊ?ｉ?ｉ??｜?｜?ＳＭＮ?Ｉ?｜?ＳＭＮ?｜?ｆＳＭＮ??１?■＂〇?Ａ?■■■■々Ｂ?ｏ?Ｃ??１１１??ＳＭＩ?｜?｜?ＳＭＩ?｜?ＳＭＩ
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2835499